[论文解读] Probing charge noise in few electron CMOS quantum dots

Cameron Spence, Bruna Cardoso Paz+15 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用 4

一句话总结

本研究采用一种新颖的单次隧穿读出方法，探测了在300 mm晶圆上通过工业兼容工艺制造的CMOS工艺硅纳米线量子点中的低频电荷噪声，结果表明通过调控量子点几何结构和电子占据数，电荷噪声可在两个数量级（1–100 μeV²/Hz）范围内被调节。关键发现是，随着电子数增加，电荷噪声显著降低，表明少电子区域对自旋量子比特具有更强的抗噪声能力。

ABSTRACT

Charge noise is one of the main sources of environmental decoherence for spin qubits in silicon, presenting a major obstacle in the path towards highly scalable and reproducible qubit fabrication. Here we demonstrate in-depth characterization of the charge noise environment experienced by a quantum dot in a CMOS-fabricated silicon nanowire. We probe the charge noise for different quantum dot configurations, finding that it is possible to tune the charge noise over two orders of magnitude, ranging from 1 ueV^2 to 100 ueV^2. In particular, we show that the top interface and the reservoirs are the main sources of charge noise and their effect can be mitigated by controlling the quantum dot extension. Additionally, we demonstrate a novel method for the measurement of the charge noise experienced by a quantum dot in the few electron regime. We measure a comparatively higher charge noise value of 40 ueV^2 at the first electron, and demonstrate that the charge noise is highly dependent on the electron occupancy of the quantum dot.

研究动机与目标

• 表征在300 mm晶圆上通过工业兼容工艺制造的少电子CMOS量子点中的低频电荷噪声。
• 识别电荷噪声的主要来源，特别是界面和库仑 reservoir 中的噪声，并评估其通过门控的可调性。
• 开发并验证一种简单、实验可实现的方法，用于在单电子水平上测量电荷噪声功率谱密度。
• 研究电荷噪声在量子点中电子占据数依赖性，尤其关注与自旋量子比特相关的少电子区域。
• 通过时间分辨电荷探测，将化学势噪声与隧穿耦合波动分离。

提出的方法

• 采用CMOS工艺制造的硅纳米线器件，配备静电门和电荷探测器，实现实时监测隧穿事件。
• 利用单次隧穿测量提取时间分辨的电子占据动态，实现电荷涨落功率谱密度（PSD）的重构。
• 对库仑阻塞峰期间的电流涨落时间序列进行傅里叶变换，获得各门电压下的噪声PSD。
• 通过平均电导对门电压的导数（d⟨N⟩/dV_G）对测得的PSD进行归一化，以分离化学势噪声。
• 将隧穿速率提取结果与直接电流涨落测量结果进行比较，评估一致性并识别隧穿耦合波动的贡献。
• 通过模拟界面之上单个被捕获电荷（TLS）对不同电子数下量子点化学势的影响，支持观测到的趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 CMOS量子点中的电荷噪声环境如何随量子点几何结构和电子占据数变化？
• RQ2 在CMOS工艺制造的硅纳米线器件中，电荷噪声的主要来源是什么，特别是在少电子区域？
• RQ3 一种简单、单次隧穿测量方法能否准确提取单电子水平下的电荷噪声功率谱密度？
• RQ4 随着量子点中电子数的增加，电荷噪声幅度如何变化？
• RQ5 通过调控量子点扩展和隧穿势垒的门控，电荷噪声在多大程度上可被抑制？

主要发现

• 在第一个电子时，少电子区域的电荷噪声测量值为40 μeV²/Hz，具体数值依器件结构不同在1至100 μeV²/Hz范围内变化。
• 通过调节门电压，噪声水平可在两个数量级范围内被调控，主要通过控制量子点的空间扩展实现。
• 顶部界面和库仑 reservoir 被确定为电荷噪声的主要来源，其影响可通过改进门控得到抑制。
• 电荷噪声功率谱密度随电子数增加而显著降低——观察到从N=1时的约40 μeV²/Hz降至N=2时的约20 μeV²/Hz，更高占据数时更低。
• 观测到的噪声降低归因于涨落源（如界面陷阱）与电子波函数之间距离的增加，从而减弱了偶极耦合。
• 单次隧穿方法成功将化学势噪声与隧穿耦合波动分离，提供了一种比复杂光谱技术更简便的替代方案。